TALAJVÉDELEM
2009. október 5.
Tápelemek körforgalma és energiaáramlás az ökoszisztémákban (biogeokémiai körfolyamat) Az élőszervezetek fejlődéséhez szükséges elemek közül 30-40 (közülük a legfontosabbak a C, N, H, O, S, P) a biogeokémiai cikluson keresztül áramlik a hidro-, a lito- és az atmoszférában. A biogeokémiai ciklus megjelölés azt is kifejezésre juttatja, hogy az elemek egy körforgalomban áramlanak: az élettelen környezetből az élő szervezetek felé és vissza, vagy a szerves kötésből a szervetlenbe és vissza, miközben az oxidációs fokuk is változik. Az ökoszisztémákban az anyag körforgalom azonban nem választható el az energia áramlásától, amely egyirányú és visszafordíthatatlan.
elhalt növényi, állati maradványok szerves anyag humuszosodás levegő ammonifikáció
nagyobb víztartalom, kevesebb
humusz mineralizació
optimális nedvességtartalom, víz : levegő ásványi anyag egyensúlyi folyamat
A
biogeokémiai körforgalom a kémiai elemek szerves anyagban történő megkötődését és szervetlen formában való felszabadulását jelenti az ökoszisztémában.
A talaj tápanyagforgalma Mobilizáció (mállás, mineralizáció, oldódás)
1. Tápanyag tartalom
2. 3. 4.
adszorbeált
5.
Tápanyag pótlás (input) trágyázás csapadék mikrobiális N-kötés
6.
oldható
Immobilizáció (kémiai kötés, biológiai felhalmozás oldhatatlan vegyületet képez)
Tápanyag csökkentés (output) tápanyag felvétel kilugzás, erózió defláció denitrifikáció HEFOP 3.3.1.
Tápanyagforgalom folyamatai A talaj képes ellátni a növényzetet és a benne élő szervezeteket vízzel és a vízben oldott tápanyaggal. A talaj tápanyaggazdálkodásával kapcsolatos fogalmak és folyamatok.
tápanyag tőke → összes elem mennyisége
mobilizáció → az elemek a növények számára felvehetővé válnak
tápanyag szolgáltató képesség → a folyamat során növekszik a növények számára felvehető tápanyag
immobilizáció → a felvehető elemek felvehetetlenné válnak
tápanyagpótlás formái → műtrágyázás, szervestrágyázás
tápanyag csökkenés következményei → gyengébb növényi fejlődés
A SZÉN KÖRFORGÁSA A C az élet alapvető fontosságú eleme. A C (is) vegyületeiben „forog”: - in vivo rengeteg ilyen van (szénhidrát!), - in vitro főleg CO2 (hidro-, karbonátok, kevés CH4, CO, HCN, … ) Az életműködés két alapfolyamata: Fotoszintézis: 6 CO2 + 6 H2O → napfény energia → C6 H12 O6 + 6 O2 Biológiai oxidáció (légzés): C6 H12 O6 + 6 O2 → 6 H2O + 6 CO2 + energia
A
szén globális körforgása magába foglalja a tengeri és a szárazföldi folyamatokat, melyek egymással az atmoszférán keresztül dinamikusan kapcsolódnak össze. A szén az élő szervezetek valamint az élettelen szerves anyagok legfontosabb eleme, így a szén biológiai körforgalma a földi élet egyik legalapvetőbb folyamata. A légkörben az oxigénhez képest a széndioxid mennyisége lényegesen kisebb. A levegő CO2 tartalma átlagosan 0,03 térfogat % (0,55g/m3).
A globális karbon-ciklus
A légköri szén hosszabb időre a tengerekben kötődik meg, míg átmenetileg a szárazföldi ökoszisztémákban, így az erdők faállományában történő szénmegkötés természetes körülmények között az egyed elhalálozása után újra felszabadul. Minthogy az erdők fakészlete csak átmeneti tároló helye a szénnek, az erdőterületek növelése, a növedék fokozása csak rövidebb távon jár többlet szénmegkötéssel, és ez a szén csak abban az esetben nem kerül vissza a légkörbe, ha a talaj humusztartalmát növeli, vagy ha víz alá kerül, illetve ha az ember kivonja a szénciklusból, és nem hagyja lebomlani. A tengerek planktonállománya után az erdők a Föld légkörének leghatékonyabb szén-dioxid nyelői. Az erdőterületek növelése, vagy legalábbis megőrzése a globális szénforgalom szinten tartásához járul hozzá.
Szén tározók atmoszféra erdők talajok óceánok felsőrétege óceánok mélyrétege fosszilis tüzelőanyagok szén olaj földgáz
Méret: ∼ Gt 750 600 1.600 1.000 38.000 5.000 4.000 500 500
A szénkörforgalom és a talajok mikrobiológiai dinamikája
Globális szénkörforgalom
H2O és CO2 → Fotoszintézis → C6H2O6 →Bomlási folyamat → H2O és CO2
Szénforrások: légkör, tengerek, üledékek, vulkánok
Geológiai üledékek szénkészlete: 65,5 * 106 Gt
A szén körforgásában a talaj forrásként és felhasználóként is jelentős, kémiai és biológiai reaktorként kiemelkedő szerepet játszik. A szárazföld felszínéről és az atmoszférából a növények asszimilációja révén 110*1012 kg szén kerül CO2 formájában felvételre. A keletkezett szén mennyisége gyakorlatilag ugyanennyi, melynek közel a fele, azaz 50 *1012 kg kerül vissza az élőlények légzése során a légkörbe. A maradék 60*1012 kg az elhalt szerves növényi anyag mikrobiális bontásának végtermékeként keletkezik. A folyamatban nagy szerepük van a talajfelszínén és a talajban élő mikro-és makroszkopikus élőlényeknek. A légkör és a földfelszín között így évente a légköri szénmennyiség mintegy 15%-a cserélődik ki.
A szervetlen CO2 szerves vegyületekké történő átalakítását elsősorban a klorofill tartalmú zöld növények végzik a Nap fény - és hőenergiájának felhasználásával. Az autotróf CO2-fixálás során a levegő széndioxid tartalmából, a növények által a talajból felvett vízből napfényenergia segítségével nagy energiatartalmú szőlőcukor jön létre oxigén keletkezése közben: 6 CO2 + 6 H2O →napfény energia → C6H12O6 + 6 O2 Az autotróf asszimilációra nem csak a fotoszintetizáló növények, hanem az autotróf baktériumok is képesek, bár az általuk fixált szén mennyisége jóval kevesebb.
A biológiai karbon-ciklus
A humifikáció a fontosabb szintetizáló reakciók összessége. A könnyen bontható szerves anyagok gyorsan mineralizálódnak, amíg a nehezen bontható vegyületek polimerizálódva és N-tartalmú anyagokkal kapcsolódva, nagy molekulájú, sötétszínű, új stabil vegyületekké, humuszanyagokká alakulnak. A növényi biomasszában megkötött szén a növényi maradványokon keresztül jut a talajba, ahol akár évszázadokig is megmaradhat. A növényi maradványok lebomlása számos tényezőtől (növény milyensége, talaj állapota, klíma) függ. A talaj- és klímajellemzők magukban foglalják a talaj nedvességtartalmát, hőmérsékletét, kémhatását, levegőzöttségét, illetve a felvehető tápanyagok szintjét, míg a növény milyenségét annak korával, méretével, lignintartalmával és C:N arányával jellemezzük.
Különböző C/N arányú növényi maradványok bomlásának üteme 700
Fejlődő CO2, mg
600
lucerna C/N=13:1
500
kukoricaszár C/N=40:1
400 300
rozsszalma 200
C/N=350:1
100 0 0
4
8
12
16
Bomlási idő (napok)
20
24
28
A szén mineralizációja, a szerves kötésű szén széndioxiddá történő oxidálódását jelenti. A talajba kerülő növényi maradványok széntartalma bonyolult mikrobiológiai folyamatok, - a heterotróf szervezetek disszimilációja, biológiai oxidáció, és erjedés - során szervetlen CO2-ként jut vissza a légkörbe. A talajlégzés az, amely nagyrészt mikrobiális eredetű folyamatok eredménye, a talajokban természetesen más jellegű élőlények - növények, állatok - is lélegeznek ki CO2 -ot. A mineralizáció, a holt szervesanyag C-tartalmának visszajutása a körfolyamatba alapvető jelentőségű. A könnyebben bontható szerves anyagok optimális körülmények között mineralizálódnak, a nehezen bontható vegyületek jelentős része polimerizálódva és nitrogén tartalmú anyagokkal összekapcsolódva stabil, nagy molekulájú, új vegyületekké, humuszanyagokká alakulnak.
A növényi szövetek legfontosabb alkotórésze a cellulóz, mely a bioszféra legnagyobb mennyiségben keletkező, szénalapú szerves anyaga. Kémiai összetételét tekintve a cellulóz glükózanhidridekből felépülő poliszacharid. A hosszú láncokat alkotó cellulóz molekulasúlya 3 000-10 000 között van. Lúgokkal, savakkal szemben igen ellenálló, lebontása a szén mineralizációjának egyik legfontosabb tényezője. A természetben fixált szén körülbelül egyharmadából lesz cellulóz. A lebontást az erre specializálódott cellulózbontó mikroorganizmusok a celluláz enzimjeik segítségével végzik. A cellulóz hidrolizálódik és végtermékként glükóz keletkezik a következő egyenlet szerint: (C6H10O5)n + nH2O = n C6H12O6 A viszonylag lassú bontást baktériumok, sugárgombák és mikroszkopikus gombák végzik aerob, vagy anaerob körülmények között.
Mikroorganizmusok a szén körforgalomban
Anaerob
cellulózbontók
– Legnagyobb részben anaerob pálcikák (Clostridium) közreműködésével – Gram pozitívek, vajsavat, ecetsavat, etilalkoholt és gázokat termelnek – Mezofil csoport –– 30-35oC-on tenyészthetők (Clostridium omelianskii) – Termofil csoport –– 60-65oC-on tenyészthetők (Cl. thermocellum) Aerob
cellulózbontók Savanyú közegben a fonalas gombák – Kevésbé savas közegben az Actinomiceták és a Cytophaga nemzetség tagjai bontják – Sporocytophaga fajok – Cellvibrio, Cellfalcicula nemzetség tagjai – Bacillus, Cellulomonas, Nocardia, Pseudomonas, Streptomyces fajok
A CO2 körforgása a természetben
Növénytermesztési szempontból a talajok minőségének egyik legjelentősebb jellemzője a talajtermékenység. A talaj természetes termékenysége azt jelenti, hogy a környezeti feltételek (éghajlat, éves csapadékmennyiség, stb.), a talaj fizikai és kémiai tulajdonságai, adottságai milyen potenciális termékenységet biztosítanak a termesztett növények számára. A talaj termékenysége semmiképpen sem vonatkoztatható el a benne zajló biológiai és biokémiai folyamatoktól sem, így a termékenység másik természetes faktora a talaj biológiai élete. A talaj állandóan változó, dinamikus folyamatok színtere, s elválaszthatatlan egységet képez nemcsak a benne, de a rajta élő magasabb rendű szervezetekkel is. A talaj termőképessége tehát nagymértékben összefüggésben van a talajban élő szervezetekkel, azok mennyiségével, életműködésével, azaz a talaj biológiai aktivitásával. Úgy is fogalmazhatnánk, hogy a talajbiológiai aktivitás legfontosabb megnyilvánulása a talaj termőképessége, melyben igen jelentős szerep jut a talajban élő mikroorganizmusuk élettevékenységének.
Az ember beavatkozása a szénkörforgalomba
20 Gt CO2/év → 5 Gt elemi szén (fosszilis égetéssel) Klímaszabályozás Téli – nyári oszcilláció (késő nyári min., késő téli max.) 600 Gt (szárazföldi vegetáció) + 1500 Gt (talaj holt szerves anyaga) / 124 = 17 (év alatt cserélődik) Erdőirtás, szárazföld feltörése → 13C-12C arány változása Üvegházhatás Mezőgazdasági és tengerbiológiai következmény - Búzatermés ↓ rizstermés↑ - Óceánok pH-ja és CaCO3 tartalma ↓
Antropogén CO2 emisszió
∼ Gt/év
égetések és cementgyártás
∼ 5,5
trópusi erdőirtás
∼ 1,6
CO2 források – összesen
∼ 7,1
atmoszféra-tárolás
∼ 3,3
óceánok CO2 felvétele
∼ 2,0
erdőtelepítés az É-i fg-ön
∼ 0,5
más földi elnyelések (trágyázás, éghajlati hatások)
∼ 1,3
CO2 nyelők – összesen
∼ 7,1 HEFOP 3.3.1.
Klímaváltozás Növekvő széndioxid termelés:
- légszennyezés - erdőirtás - tengervíz savanyodása
Következménye: üvegházhatás
klímaváltozás
Üvegházhatást okozó gázok mértéke
Üvegházhatás: a Napból energia érkezik a Földre rövidhullámú sugárzás formájában. Ennek egy része visszaverődik, egy része elnyelődik, egy réze a földfelszínről hosszúhullámú sugárzás formájában verődik vissza. Az üvegházhatású gázok CO2, CH4, NOx, CFC-k, ha nem lennének klehűlne a föld, de nagy mennyiségben felmelegedést okozhatnak. Az Egyesült Nemzetek 1992-ben aláírt Klímaváltozással Foglalkozó Keretegyezménye (UNFCCC) megállapította, hogy az éghajlatváltozás valós fenyegetést jelent az emberiség számára. Az éghajlatváltozás egyik legfontosabb okának az üvegházhatású gázok légköri koncentrációjának egyre gyorsuló növekedését tartják. A UNFCCC ezért egyrészt támogatja az üvegházhatású gázok kibocsátás csökkentésére irányuló erőfeszítéseket, másrészt azon tevékenységeket, amelyek elősegítik ezen gázok megkötését szerves anyagokban, például az élő biomasszában.
A UNFCCC részeként Kiotóban 1997. december 11-én elfogadott Kiotói Jegyzőkönyv 2005. február 16-án lépett hatályba, miután Oroszország 2004 novemberében ratifikálta. A Jegyzőkönyvet 2006 októberére már 166 ország és egyéb kormányszintű testület ratifikálta, köztük azok az országok, melyek a fejlett ipari országok kibocsátásának 61,6%-áért felelősek. A Jegyzőkönyvet ratifikáló országok vállalták, hogy az Első Kötelezettségvállalási Időszakra (2008-2012) a szén-dioxid és öt egyéb üvegházhatású gáz kibocsátását az 1990-es szinthez képest 5%-kal csökkentik. Az aláíró országok a kibocsátás-csökkentés módját és szabályzását illetően bizonyos mértékű szabadsággal rendelkeznek. Az üvegházhatású gázok kibocsátásának korlátozására és csökkentésére irányuló intézkedések mellett a célszerű erdőis hozzájárulhat a Kiotói és mezőgazdálkodás Jegyzőkönyvben kitűzött célok eléréséhez.
Az erdők biogeokémiai szénciklusban játszott fontos szerepe jól ismert. Mint nyelők, a fotoszintézis révén beépítik és szerves anyagként tárolják (a fás és egyéb növényi részekben) a széndioxid molekulákat. Az erdők szénmegkötő tulajdonsága függ a fák életkorától és az erdőgazdálkodás módjától. Az erdők jellege és ökológiai jellemzői szintén meghatározóak. Az erdőkkel kapcsolatban kétféle hatást különböztethetünk meg: Közvetlen hatást: mely a légköri szén-dioxid megkötésével és a biomasszában való tárolásával van kapcsolatban. Ez a hatás, használattól függően (tűzifa, ipari fa, stb.), különböző hosszúságú időszakra vonatkozik Közvetett hatást: mely a fosszilis tüzelőanyagok alternatívájaként használt biomasszaégetéssel kapcsolatos. A biomassza energetikai célú felhasználása révén elkerülhető, hogy még több szén-dioxid kerüljön a légkörbe
A legújabb kutatási eredményekből kiderült, hogy az erdőségekhez hasonlóan a mezőgazdasági ökológiai rendszerek is jelentős szerepet játszanak a szén-körforgalomban. A művelési mód jelentős hatással lehet a széndioxid-megkötési képességre, és általában a széntárolásra. Emellett egy terület teljes szénmérlegére hatással lehet pl. termesztett növények energetikai célú használata, a föld minimális művelése vagy parlagon hagyása (a szervesanyag mineralizáció és a széndioxidfelszabadulás csökkentése), a termésmaradványok megőrzése a talajban, természetes szerves trágya használata és a mezőgazdasági területek egy részének cserjékkel vagy fákkal való beültetése. Következésképpen a mezőgazdasági művelés alól kivont területek erdősítését, a leromlott talajok helyreállítását, a talaj és a víz minőségének megőrzését és az élőhelyek védelmét is szolgáló földhasználati módok alkalmazását a Kiotói Jegyzőkönyv is elismeri. Ugyanebből az okból kifolyólag a természeti erőforrások kezelésével foglalkozó politikának minden szinten figyelembe kell vennie az erdőknek és a mezőgazdasági területeknek azt a szerepét, amelyet a szén-dioxid megkötésében és tárolásában játszanak.
A hagyományos művelés átváltása energia takarékos művelési rendszerekre a szénkészlet változással jár A talaj szénkészletében jelentős változás történhet mind a művelésváltás, növényfajta, vetésforgó, vízgazdálkodás, szármaradványok és szervesanyagok által.
A szárazgazdálkodás követelményeihez alkalmazkodó környezetkímélő talajművelési rendszerek fejlesztése
1997: Talajművelési kísérlet
CO2-emissziós mérések
•
ANAGAS CD 98 típusú infravörös gázanalizátor
A talaj CO2-termelésének mértéke és intenzitása egyenes összefüggésben van a talaj szerkezeti állapotával és szervesanyag-tartalmával. Az alternatív talajművelési módszerek azon alapulnak, hogy kevesebb bolygatás révén kedvező feltételeket teremtenek, fokozzák a talaj szervesanyag tartalmát, és tápanyagok érvényesülését.
A fémkeret, és a mérőedény
Többféle módszer létezik a talaj CO2-emissziójának mérésére, de egyik sem használható általánosan, minden körülmény között. A mérési terület térbeli lehatárolásánál nagy probléma a különböző felszínborítottság, és annak megfelelő izolálása.
CO2 emisszió (g*m-2*h-1)
0.50 hagyományos művelés: búza, repce
0.45
hagyományos művelés: bükköny tarló
0.40
redukált művelés: búza, repce
0.35
redukált művelés: bükköny tarló
0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00
-2
-1
CO 2-emission (g*m *h )
2006.07.25
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 15th June
25th June
mulch+direct seeding direct seeding
3rd July
13th July
mulch+muchtiller+direct seeding conventional till
2006.08.18
2006.09.25
2006.10.02
ELŐADÁS ÖSSZEFOGLALÁSA
Az elemek szervetlen anyagból szerves anyagba, illetve szerves anyagból szervetlen anyagba történő átalakulása az anyagkörforgalom. Az anyagkörforgalom és az energia áramlás nem választható el egymástól. A szén szervetlen vegyületekben leggyakrabban CO2 formában fordul elő, de minden szerves anyag alkotója a szén körforgalom függ a CO2 elnyelők és a CO2 forrás arányától. A talaj az üvegházhatású gázok (pl. CO2, CH4) fő forrása és egyben potenciális megkötője.
• A talaj CO2-termelése nagyrészt gyökérlélegzésből, mikrobiális tevékenységből, szerves anyagok lebomlásából és karbonátok bontásából származik. Mértéke és intenzitása egyenes összefüggésben van a talaj szerkezeti állapotával és szervesanyagtartalmával. •A művelési mód jelentős hatással lehet a széndioxidmegkötési képességre, és általában a széntárolásra. Az intenzív forgatásra alapozott talajművelés a talajok degradációját és erózióját eredményezheti. A hagyományos művelést felváltó, a talajt védő művelési módszerekkel jelentős mértékben javítható a talaj kémiai, fizikai és biológiai állapota.
ELŐADÁS/GYAKORLAT ELLENÖRZŐ KÉRDÉSEI •
Ismertesse a állomásait!
szén körforgalom legfontosabb
•
Ismertesse a humifikáció és a mineralizáció fogalmát!
•
Ismertesse a CO2 gáz klímaváltozásban betöltött szerepét!
•
Milyen szerepet játszik a talajhasználat a szén körforgalomban?
ELŐADÁS Felhasznált forrásai Szakirodalom:
Kátai J. (szerk.): Talajtan - talajökológia
Egyéb források:
Filep Gy.: Talajtani alapismeretek I-II Kovács M.: A környezetvédelem biológiai alapjai Szabó I. M.: Az általános talajtan biológiai alapjai Széky P. : Ökológia A természet erői a mezőgazdaság szolgálatában
